第 2 章 机器人实验平台搭建
2.1 系统的硬件平台
本文实验平台为中控集团-国自机器人技术有限公司自主研发的四驱轮式移 动机器人。该机器人用于无人大型仓库、高压变电站的巡检等场合。如图所示。
图 2.1 中控集团巡检机器人
该机器人为滑动转向结构，四轮独立驱动，在差速转弯过程中，存在车身抖 动、轮胎打滑等现象，为了分析其原因并解决该类问题，本文首先对该机器人进 行了部分改造，并在改造后的平台上进行了相关研究。
图 2.2 改造后的机器人
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如图所示，改造后的系统硬件平台包括四驱轮式移动机器人、直线电机、控 制器、车载传感器、计算机等，系统由车载直流电源进行供电。硬件系统连接框 图如图所示。
C-RIO 陀螺仪
编码器 电机1
电机3 编码器
电机4 编码器 编码器 电机2
移动机器人
RS485
图 2.3 硬件系统框图
机器人原控制器为工控机，为方便实际操作以及后期程序对接，改造时选用 了 NI 公司的 CompactRIO-9022 作为系统控制器。
图 2.4 NI cRIO-9022 控制器与机箱
该控制器具有一个 533 MHz Freescale MPC8347 工业实时处理器，接受 9 到 35VDC 电源输入。备 2 个以太网端口、RS232 通信接口和 USB 通信接口等，控 制器通过与机箱连接，再插入不同的 FPGA 模块实现不同的功能。
机器人由四个直流电机分别驱动四个车轮，直流电机型号为 SMP6224，电机 性能曲线如图 2.7 所示，电机部分参数如表格 2.1 所示。电机分别由 Copley 直 流驱动器驱动，可以通过 CME 软件对电机进行调试。电机带动车轮转动，减速 比
k
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图 2.5 SMP6224 电机性能曲线图 表格 2.1 电机部分参数
参数 符号 值 单位
额定功率
Pr
163 W额定电压
Vt
24 V额定线电流
Ir
9.1 A额定转速
Nr
3000 RPM额定力矩
Tr
0.52 Nm力矩系数
Kt
0.058 Nm/A反电动势常数
Ke
6.07 V/Krpm线间电阻
R
0.31 Ω转子惯量
J
1.98Kg *cm^2极数 2p 8 极
编码器线数 2500（单倍频） PPR
电机附带的编码器用于采集移动机器人的车轮的角位移信号。
由于编码器反馈的是两路脉冲数字信号，首先通过差分板对信号进行差分，
以减小干扰。其次将信号接到 FPGA-NI9401 模块进行信号采集通信。
NI 9401 是一款 8 通道、100 ns 的双向数字输入模块，如图 2.5 所示。NI 9401 可编程为 3 种配置：8 路数字输入、8 路数字输出或 4 路数字输入和 4 路数字输 出，本文采用了最后一种配置。
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图 2.6 NI9401 模块与引脚接口示意图
本文直流电机采用电流环控制模式， 通过 FPGA 模块 NI9263 进行信号输入。
NI cRIO-9263 是用于 CompactRIO 的模拟输入输出模块，如图 2.6 所示。
图 2.7 NI9263 模块示意图
机器人运动时依靠码盘来检测机器人的位移，此位移可以看成机器人运动增 量在时间段上的积分，这将不可避免地产生累计误差。这种累计误差可能是移动 机器人本身特性引起的,也可能是外界环境变化引起的。文献[47]中，对这种积累 误差进行了分析,并将其分为了系统误差和非系统误差两大类,系统误差包括左 右驱动车轮半径的差异、车轮半径平均值与标称值的差异、车轮安装位置的差异、
有效轮间距的不确定性、有限的编码器精度和采样速率,它对测量值误差的积累 是恒定的，而非系统误差则包括运行地面的不平整、运行中经过意外物体、以及 多种原因造成的车轮打滑,它对编码器误差的影响是随机变化的。在一般光滑的 室内地面上运行的移动机器人,系统误差对编码器的测量精度影响较大,而在不 规则的粗糙地面上,则以非系统误差对编码器的测量精度影响为主。
车轮打滑会导致车轮转速与机器人实际运动速度不一致,必须将车轮转速与
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其他传感器得到的速度、加速度、角速度等信息融合以判断车轮状态以及车体位 姿，从而提高机器人的定位精度。
本文所使用惯性测量单元是陀螺仪，型号为 ADIS16365，原理框图如图所示。
三轴加速度计测量范围为±17g，数据采集频率为 350Hz。该陀螺仪用于采集移 动机器人转动的位姿信息，该陀螺仪使用 RS485 通信协议，通过 RS485-RS232 转 接口与控制器通信。
图 2.8 ADIS16365 陀螺仪原理框图
综上所述，本文中控制器与通过 FPGA 模块 NI9401 采集电机编码器信号；通 过将 FPGA-NI9623 模块输入电机控制信号；通过 RS232 串口采集角加速度信号；
通过网线与计算机通信。